Les conditions dans notre vaste univers peuvent être très différentes. Les chutes violentes des corps célestes laissent des cicatrices à la surface des planètes. Les réactions nucléaires dans le cœur des étoiles génèrent d'énormes quantités d'énergie. Des explosions géantes catapulteront la matière loin dans l'espace. Mais comment se déroulent exactement des processus comme ceux-ci? Que nous disent-ils sur l'univers? Leur pouvoir peut-il être utilisé au profit de l'humanité?
Pour le savoir, les scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory ont mené des expériences sophistiquées et des simulations informatiques qui recréent les conditions spatiales difficiles à l'échelle micro du laboratoire.
«Le domaine de l'astrophysique de laboratoire se développe à un rythme rapide et est alimenté par un certain nombre de percées technologiques», déclare Siegfried Glenzer, chef de la division scientifique de haute densité d'énergie au SLAC. «Nous disposons désormais de puissants lasers pour créer des états extrêmes de la matière, de sources de rayons X avancées pour analyser ces états au niveau atomique et de supercalculateurs hautes performances pour des simulations complexes qui guident et aident à expliquer nos expériences. Avec de vastes opportunités dans ces domaines, le SLAC devient un terrain particulièrement fertile pour ce type de recherche.
Trois études récentes mettant en évidence cette approche impliquent des frappes de météores, des noyaux de planètes géantes et des accélérateurs de particules cosmiques des millions de fois plus puissants que le grand collisionneur de hadrons, le plus grand accélérateur de particules sur Terre.
Les «bibelots» cosmiques indiquent les météores
On sait que la haute pression peut transformer la forme douce du carbone - le graphite, qui est utilisé comme plomb - en une forme extrêmement lourde de carbone, le diamant. Cela pourrait-il se produire si un météore heurte du graphite au sol? Les scientifiques pensent que oui, et que ces chutes, en fait, pourraient être assez puissantes pour produire ce qu'ils appellent la lonsdaleite, une forme spéciale de diamant qui est encore plus forte qu'un diamant ordinaire.
«L'existence de la lonsdaleite a été contestée, mais nous avons maintenant trouvé des preuves convaincantes à ce sujet», déclare Glenzer, chercheur principal de l'article, publié en mars dans Nature Communications.
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Les scientifiques ont chauffé la surface du graphite avec une puissante impulsion laser optique, qui a envoyé une onde de choc dans l'échantillon et l'a rapidement compressé. En envoyant des rayons X LCLS brillants et ultra-rapides à travers la source, les scientifiques ont pu voir comment le choc a modifié la structure atomique du graphite.
«Nous avons vu de la lonsdaleite se former dans certains échantillons de graphite en quelques milliardièmes de seconde et à une pression de 200 gigapascals (2 millions de fois la pression atmosphérique au niveau de la mer)», explique l'auteur principal Dominik Krautz du centre allemand Helmholtz, basé en Californie. Université de Berkeley au moment de la recherche. "Ces résultats soutiennent fortement l'idée que des impacts violents peuvent synthétiser cette forme de diamant, et cela, à son tour, peut nous aider à identifier les sites d'impact de météores."
Les planètes géantes transforment l'hydrogène en métal
La deuxième étude, publiée récemment dans Nature Communications, examine une autre transformation importante qui aurait pu avoir lieu à l'intérieur de planètes gazeuses géantes comme Jupiter, dont l'intérieur est principalement de l'hydrogène liquide: à haute température et pression, ce matériau passe de la «normale», état électriquement isolant en métallique, conducteur.
«Comprendre ce processus fournit de nouveaux détails sur la formation planétaire et l'évolution du système solaire», explique Glenzer, qui a également été l'un des principaux chercheurs du travail. «Bien qu'une telle transition ait déjà été prévue dans les années 1930, nous n'avons jamais ouvert de fenêtre directe sur les processus atomiques».
Autrement dit, ils ne se sont ouverts que lorsque Glenzer et ses collègues scientifiques ont mené une expérience au Livermore National Laboratory (LLNL), où ils ont utilisé un laser Janus haute puissance pour compresser et chauffer rapidement un échantillon de deutérium liquide, une forme lourde d'hydrogène, et créer un flash de rayons X., qui a révélé des changements structurels cohérents dans l'échantillon.
Les scientifiques ont vu qu'au-dessus d'une pression de 250 000 atmosphères et d'une température de 7 000 degrés Fahrenheit, le deutérium passe d'un liquide isolant neutre à un liquide métallique ionisé.
«Les simulations informatiques montrent que la transition coïncide avec la séparation de deux atomes, généralement liés ensemble dans des molécules de deutérium», explique l'auteur principal Paul Davis, étudiant diplômé de l'Université de Californie à Berkeley au moment de la rédaction de cet article. "Apparemment, la pression et la température de l'onde de choc induite par le laser déchirent les molécules, leurs électrons deviennent non liés et peuvent conduire l'électricité."
En plus de la science planétaire, ces recherches pourraient également aider à la recherche visant à utiliser le deutérium comme combustible nucléaire pour les réactions thermonucléaires.
Comment construire un accélérateur spatial
Le troisième exemple d'un univers extrême, un univers «à la limite», ce sont des accélérateurs de particules cosmiques incroyablement puissants - près des trous noirs supermassifs, par exemple - crachant des flux de gaz ionisé, du plasma, des centaines de milliers d'années-lumière dans l'espace. L'énergie contenue dans ces courants et leurs champs électromagnétiques peut être convertie en particules incroyablement énergétiques qui produisent des sursauts très courts mais intenses de rayons gamma qui peuvent être détectés sur Terre.
Les scientifiques aimeraient savoir comment fonctionnent ces accélérateurs d'énergie, car ils aideront à comprendre l'univers. De plus, de nouvelles idées pour construire des accélérateurs plus puissants pourraient en être tirées. Après tout, l'accélération des particules est au cœur de nombreuses expériences de physique fondamentale et de dispositifs médicaux.
Les scientifiques pensent que l'une des principales forces motrices des accélérateurs spatiaux pourrait être la «reconnexion magnétique» - un processus dans lequel les lignes de champ magnétique dans un plasma se brisent et se reconnectent d'une manière différente, libérant de l'énergie magnétique.
«Une reconnexion magnétique a déjà été observée en laboratoire, par exemple, dans des expériences avec la collision de deux plasmas créés à l'aide de lasers à haute puissance», explique Frederico Fiutsa, scientifique à la Division des sciences de la haute densité d'énergie et chercheur principal de l'article théorique publié en mars dans Physical Review Letters. … «Néanmoins, aucune de ces expériences laser n'a observé une accélération non thermique des particules - une accélération non associée au chauffage du plasma. Notre travail montre qu'avec une certaine conception, nos expériences devraient le voir."
Son équipe a réalisé une série de simulations informatiques qui ont prédit comment les particules de plasma devraient se comporter dans de telles expériences. Les calculs les plus sérieux, basés sur 100 milliards de particules, ont nécessité plus d'un million d'heures CPU et plus d'un téraoctet de mémoire sur le supercalculateur Mira du Laboratoire national d'Argonne.
«Nous avons identifié des paramètres clés pour les détecteurs requis, y compris la plage d'énergie dans laquelle ils fonctionneront, la résolution d'énergie requise et l'emplacement de l'expérience», a déclaré l'auteur principal Samuel Totorika, un étudiant diplômé de l'Université de Stanford. "Nos résultats représentent une recette pour concevoir de futures expériences qui voudront savoir comment les particules obtiennent l'énergie de la reconnexion magnétique."
